페로브스카이트 태양전지, 역구조로 상용화 열어

국내 연구팀 관련 기술 개발

▲히스테리시스가 없는 고효율, 고내구성 평면(planar) 페로브스카이트 태양전지 소자 개요도.[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 걸림돌이 되는 히스테리시스와 장기적 안전성 문제를 풀었다. 페로브스카이트의 구조를 뒤바꾸는 역발상을 통해 해결했다. 이번 성과로 저가격, 고효율, 장수명 페로브스카이트 박막 태양전지 개발이 가능해져 상용화 가능성이 열렸다.

히스테리시스는 태양전지 효율을 정방향과 역방향으로 측정할 때 효율의 차이가 있는 것을 말한다. 페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다.

기존 실리콘 태양전지는 공정비용과 발전 단가가 높아 기존 전력 원을 대체하는 데에 한계가 있었다. 최근 초저가로 제작이 가능하며 실리콘에 근접한 효율을 보이는 페로브스카이트가 각광을 받아왔다.

페로브스카이트는 태양빛을 받아 자유전자와 홀을 생성하고 이들이 각각 전자전달체와 홀전도체를 통해 전극으로 이동하여 전기를 생산하는 소자이다. 페로브스카이트 소자는 내부에서 발생하는 전자와 홀의 이동속도가 일치하지 않아 히스테리시스가 발생해 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 기존에는 다공성 이산화티탄 전자 전달체와 부식 위험이 있는 첨가제를 넣는 방법을 시도했는데 장기적으로 내구성이 떨어지는 것이 큰 한계점이었다. 연구팀은 페로브스카이트의 상하부 벽면인 전자 전달체와 홀 전도체를 유기물로 제작한 뒤 위치를 뒤바꿔 역구조로 제작한 결과, 히스테리시스가 전혀 없고 부식성 첨가제가 필요 없는 태양전지를 개발하는 데에 성공했다.

경희대 임상혁 교수(교신저자)가 주도하고 허진혁 박사과정(제1저자)이 수행한 이번 연구는 에너지·환경과학(Energy & Environmental Science)에 4월 1일자((논문명 : Hysteresis-less inverted CH3NH3PbI3 planar perovskite hybrid solar cells with 18.1% power conversion efficiency)에 살렸다.

임상혁 교수는 "이번 연구는 저온 용액으로도 공정이 이루어질 수 있으며 히스테리시스가 없는 고내구성 역구조 페로브스카이트 태양전지를 개발한 사례"라며 "차세대 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다"고 말했다.